Mathematical modeling of the rotor dynamics of a turbomachine on gas foil bearings subjected to vibration

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

BACKGROUND: The use of gas foil bearings is a promising development in the field of turbomachinery due to their economy, autonomous operation capability, and durability. However, gas foil bearings have lower load capacities than other types of bearings. However, turbomachines are complicated, dynamic systems that must meet high standards of safety, sustainability, and durability against external mechanical factors like vibration, shock, etc.

AIM: Development of a mathematical model of rotor dynamics to predict the displacement of the rotor in foil bearings for maintaining separation between the rotor and the housing while being subjected to vibration.

METHODS: A mathematical model of the dynamics of a stiff rotor on gas foil bearings was built and analyzed, taking into account the flexibility of the bearing bushing supports and the housing of the turbomachine. Stationary and transient modes of operation, including the transient modes combined with random vibration, are simulated. The system of ordinary derivatives equations describing the mathematical model was solved by the Rado IIA method. Random vibration was modeled using digital Fourier transformation. The modeling results were analyzed by discrete Fourier transformation and short-time Fourier transformation.

RESULTS AND CONCLUSIONS: Rotor movement trajectories were obtained and the results were compared with author’s previous experimental data. Upper bound of maximal displacements was obtained. The maximum values of rotor displacement can be used to set the optimal values of blade tip gaps.

作者简介

Vitaly Nikolaev

Bauman Moscow State Technical University; PJSC NPO Nauka

编辑信件的主要联系方式.
Email: vs.nikolaev.bmstu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5360-9368
SPIN 代码: 5847-3632

Postgraduate Student

俄罗斯联邦, Moscow; Moscow

Igor Tishchenko

Bauman Moscow State Technical University; PJSC NPO Nauka

Email: iv.tischenko@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6094-8723
SPIN 代码: 5630-4301

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor

俄罗斯联邦, Moscow; Moscow

参考

  1. Sukhomlinov IYa, Golovin MV Hermetic centrifugal refrigeration compressor on the gas-dynamic bearings. Compressor technology and pneumatics. 2014;6:6–10. (in Russ).
  2. Polikarpov AV, Vikulov AP, Zotov SN, et al. Oilfree centrifugal electric compressor with foil gasdynamic bearings. Refrigeration Technology. 2020;109(2):36–44. doi: 10.17816/RF104085 (in Russ).
  3. Shchedukhin SI, Polikarpov AV, Vikulov AP, et al. Bezmaslyanyy turbodetander prirodnogo gaza na lepestkovykh gazodinamicheskikh podshipnikakh. Refrigeration Technology. 2017;106(6):46–51. doi: 10.17816/RF99254 (in Russ).
  4. Zvonarev PN. Razrabotka metoda rascheta radial’nyh uprugogazdinamicheskih podshipnikov s predvaritel’no naprjazhennymi lepestkami dlja malyh turbomashin nizkotemperaturnyh ustanovok [dissertation] Moscow; 2005. (in Russ).
  5. Sytin AV. Reshenie kompleksnoj zadachi rascheta harakteristik radial’nyh lepestkovyh gazodinamicheskih podshipnikov [dissertation]. Orel; 2008. (in Russ).
  6. Bonello P, Pham H. The efficient computation of the nonlinear dynamic response of a foil air bearing rotor system. J. Sound Vibr. 2014;333:3459–3478. doi: 10.1016/j.jsv.2014.03.001
  7. Andrés LS, Rubio D, Kim TH. Rotordynamic performance of a rotor supported on bump type foil gas bearings: experiments and predictions. ASME J. Eng. Gas Turbines Power. 2007;129(3):850–857. doi: 10.1115/1.2718233
  8. Powell JW, Tempest MC A Study of High Speed Machines with rubber Stabilized Air Bearings. ASME J. Lubric. tech. 1968;90(4):701–707. doi: 10.1115/1.3601702
  9. Waumans T, Peirs J, Al-Bender F, et al. Aerodynamic journal bearing with a flexible, damped support operating at 7.2 million DN. J. Micromech. Microeng. 2011;21:104014. doi: 10.1088/0960-1317/21/10/104014
  10. Gu Y, Ma Y, Ren G. Stability and vibration characteristics of a rotor-gas foil bearings system with high-static-low-dynamic-stiffness supports. J. Sound Vibr. 2017;397:152–170. doi: 10.1016/j.jsv.2017.02.047
  11. Peshti YV. Gas lubricant. Moscow: Bauman Moscow State Technical University; 1993. (in Russ).
  12. Kim D. Parametric studies on static and dynamic performance of air foil bearings with different top foil geometries and bump stiffness distributions. J. Trib. 2007;129(2):354–364 doi: 10.1115/1.2540065
  13. Wanner G, Hairer E. Solving ordinary differential equations II. Stiff and differential algebraic problems. Moscow: Mir; 1999.
  14. Tishchenko IV, Nikolaev VS, Merkulov VI. Experimental Study of a Dynamics Rotor of an Aircraft Air Cycle Machine with Foil Gas Bearings. In: Refrigeration and cryogenic equipment, air conditioning and life support systems: Third international scientific and practical conference. November 19–20, 2019; Moscow, Russia. Bauman Moscow State Technical University.
  15. Nikolaev VS, Abalakin SA, Tishchenko IV. Comparison of efficiency losses due to leaks for turbine units of aviation air conditioning systems with petal-type gas-dynamic bearings and ball bearings. Refrigeration Technology. 2022;111(1):13–20. doi: 10.17816/RF96964

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Rotor–gas foil bearings–bearings bushings system.

下载 (170KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Physical model of a radial bearing.

下载 (342KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Air cycle machine with the test fixture for attachment to a shaker, and the dynamic scheme of housing.

下载 (243KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Scheme diagram of the axial bearings. Axial bearings are presented as nonfixed equivalent springs to prevent axial movement and rotation.

下载 (159KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Trajectory of rotor side A motion without any outside impact: a) rotor rotation = 20 krpm, b) rotor rotation = 30 krpm.

下载 (228KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Trajectory of rotor side B motion without any outside impact a) rotor rotation = 20 krpm, b) Rotor rotation = 30 krpm.

下载 (270KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Rotor side B response to the influence of a sinusoidal vibration of scanning frequency with vibroacceleration amplitude of 0.5 g. Rotor rotation = 26 krpm. Top: experimental data, bottom: computed data.

下载 (422KB)
索引源数据
9. Fig. 8. Trajectory of rotor motion under the combined effect of sinusoidal and random vibration, 25% of the nominal regime. Left – computed data, right – experimental data. Top – side of support A, bottom – side of support B.

下载 (238KB)
索引源数据

版权所有 © Nikolaev V.S., Tishchenko I.V., 2022

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0国际许可协议的许可。

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».